Hiukkasten päästömääräykset ja mittausmenetelmät puun pienpoltossa

Transkriptio

1 Analytiikkapäivät Kokkolassa Hiukkasten päästömääräykset ja mittausmenetelmät puun pienpoltossa Terhi Kaivosoja Pienhiukkas- ja aerosolitekniikan laboratorio

2 Pienhiukkas- ja aerosolitekniikan laboratorio Pienhiukkas- ja aerosolitekniikan laboratorio FT Jorma Jokiniemi, laboratorion johtaja Anita Kajander, projektisihteeri Jaana Hirvensalo-Kivinen, projektikoordinaattori Pentti Willman, laboratorioinsinööri Nanohiukkaset FT Anna Lähde FM Jarno Ruusunen FM Mirella Miettinen FM Tiina Torvela FM Tommi Karhunen FM Mika Ihalainen Aerosolimallinnus FM Tarmo Koponen Polttoprosessien pienhiukkaset FT Jarkko Tissari FT, DI Olli Sippula FM Heikki Lamberg FM Jani Leskinen FM Kari Kuuspalo DI Tapio Kettunen FM Annika Hukkanen FM Terhi Kaivosoja Fil. yo. Ilpo Nuutinen Perustettu 2005, jolloin Jorma Jokiniemi nimitettiin pienhiukkastekniikan professoriksi (50 % ymp.tiede, 50 % VTT Päästöjen hallinta)

3 Tutkimusstrategia Measurement and charaterisation Combustion Fouling and corrosion -additives -higher -steam value Emissions and their reduction Fine particles Nanoparticles Functional nanomaterials Energy technology Pharmacy Magnetic and electric properties Optics etc Modelling -particle dynamics -properties

4 Sisältö Pienpolton päästömääräykset Miksi hiukkasia mitataan (taustaa) Hiukkasten mittaaminen Hiukkasten näytteenotto Näytteen laimennus Hiukkasten mittaus- ja analyysitekniikat Yhteenveto

5 EU:n ilmasto- ja energiapaketti EU:n yhteiset tavoitteet ja velvoitteet vuoteen 2020 mennessä: vähentää kasvihuonekaasupäästöjä 20 prosenttia vuoden 1990 tasosta (30 prosenttia, jos muut maat sitoutuvat vastaaviin velvoitteisiin kv. tasolla) lisätä energiatehokkuutta 20 prosenttia kasvattaa uusiutuvien energialähteiden osuus 20 prosenttiin energiankulutuksesta vuoteen 2020 mennessä ja liikenteen biopolttonesteiden osuutta vastaavasti vähintään 10 prosenttiin

6 EU:n ilmasto- ja energiapaketti Tavoitteena on nostaa uusiutuvan energian osuus vuoteen 2020 mennessä 38 %:iin komission Suomelle esittämän velvoitteen mukaisesti Velvoite on haastava ja sen saavuttaminen on mahdollista vain, jos energian loppukulutuksen kasvu saadaan taittumaan. Velvoitteen täyttäminen edellyttää puuperäisen energian, jätepolttoaineiden, lämpöpumppujen, biokaasun ja tuulienergian käytön voimakasta lisäämistä

7 Pienpolton päästömääräykset Suomessa ei päästörajoja pienpolton päästöille. Terveysviranomaiset voivat rajoittaa polttamista STTV:n ohjeen perusteella. Ympäristöministeriön asetusta D8 valmisteltiin , mutta sitä ei pantu täytäntöön tulevien EU-määräysten vuoksi. Tällä hetkellä päästörajat vaihtelevat eri maissa ja jopa osavaltioittain. Etenkin hiukkasten mittaustekniikat ovat erilaisia eri maissa tai kansallisissa määräyksissä ei välttämättä ole kerrottu, miten hiukkasia mitattava.

8 Päästömääräysten valmistelu Päästömääräykset ovat merkittävästi tiukkenemassa Euroopassa lähivuosina. Tämä tulee asettamaan merkittäviä haasteita tulisijojen polttotekniikan ja päästöjen puhdistustekniikan kehittämiselle. Päästömääräyksiä on tulossa niin kansallisesti kuin kansainvälisesti. 1. EcoDesign direktiivin kautta 2. UNECE:n kautta 3. Rakennustuotteiden CE-merkinnän kautta

9 Päästömääräysten valmistelu, taustaa 1. EcoDesign direktiivi: DIRECTIVE 2009/125/EC asettaa vaatimukset energiaan liittyviin tuotteisiin. Tavoitteena energiatehokkuuden parantaminen ja tuotteiden ympäristövaikutusten vähentäminen niiden elinkaaren aikana. Toteutettu jo mm. televisioiden ja lamppujen osalta. EuP-directive (EuP = energy using products) Lot 15 työryhmä on EuP:n alla. Lot 15 = Solid Fuel Small Combustion Installations. 2. UNECE (United Nations Economic Commission for Europe) Convention on Long-range Transboundary Air Pollution) Working Group on Strategies and Review (WGSR) the Expert Group on Techno-economic Issues (EGTEI)» Subgroup on Small Combustion Installations (SCI)

10 Päästömääräykset: CE-merkintä 3. Tehdasvalmisteisille tulisijoille on tulossa CEmerkintävaatimus , joka käytännössä edellyttää, että laitteiden on alitettava EN- testausstandardeissa asetetut vaatimukset. Tällä hetkellä valmiina ovat standardit kotitalousliesille (EN 12815), takkasydämille (EN 13229), kamiinoille (EN 13240), varaaville tulisijoille (EN 15250) ja puupellettikamiinoille (EN 14785). Lisäksi valmisteilla on standardi pren jatkuvalämmitteisille saunan kiukaille. Tulkintojen helpottamiseksi vaatimukset eri tulisijatyypeille on koottu kansallisiksi soveltamisstandardeiksi eli NAS:ksi. Tulisijoja koskeva NAS on lausuntovaiheessa

11 Päästömääräykset: Lot 15, EGTEI EU:ssa on ollut käynnissä EuP Lot 15 työryhmän työ, joka perustuu direktiivin 2009/125/EC (ns. EcoDesign direktiivi) täytäntöönpanoon. Työryhmä on ehdottanut pienpolttolaitteiden pölypäästöille raja-arvoja, jotka ovat ensimmäisessä vaiheessa mg/nm 3 (red. 13 % O 2 ) ja toisessa vaiheessa (neljän vuoden siirtymäaika) mg/nm 3. UNECE on valmistellut ilmansaasteiden kaukokulkeumasopimuksen tiimoilta pölypäästön raja-arvoja myös pienpolttolaitteille (uudet laitteet). Raja-arvot noudattelevat pitkälle EuP-Lot 15 työryhmän ehdottamia vaatimuksia. Keskustelua on ollut myös vanhoille laitteille asetettavista vaatimuksista. Mm. Saksassa pölypäästön raja-arvo vanhoille laitteille on 150 mg/nm 3. Jos laite ei täytä raja-arvoa, laite on uusittava tietyn ajan kuluessa

12 Vapaaehtoinen päästöjen rajoittaminen Joutsenmerkki eli Pohjoismainen ympäristömerkki voidaan myöntää tulisijalle, jossa poltetaan kiinteää biopolttoainetta. Tällaisia ovat kamiinat, uunit, varaavat uunit, takkasydämet ja saunankiukaat. Joutsenmerkin kriteerejä ollaan tiukentamassa. Uusitut kriteerit ovat lausuntovaiheessa. Allergiamerkki Allergiamerkin saamisen edellytyksenä on hakemus ja tulisijan ominaisuuksien selvitys, josta ilmenee tarkat puolueettomat tutkimustulokset ja tiedot teknisistä ominaisuuksista, materiaalitiedot, käyttöohjeet ja esitteet. Liitteeksi tulee laittaa kaikki tuotteisiin liittyvät kopiot sertifikaateista ja tutkimustuloksista. Tulisijojen tulee alittaa CO-, OGC- ja hiukkaspäästöille sekä hyötysuhteelle asetetut rajat

13 Pienhiukkaset ja terveys: tärkeimpiä havaintoja Pienhiukkaset ovat tärkeämpiä kuin karkeat hengitettävät hiukkaset ( μm). Minimipitoisuutta, jolla terveysvaikutuksia ei esiinny, ei ole voitu määrittää. Ultrapienillä hiukkasilla (alle 0.1 µm) on omat erilliset vaikutuksensa. Pienhiukkaset lisäävät hengityselinsairauksia ja sydän- ja verisuonitauteja ja lyhentävät elinikää.

14 Kuuden kaupungin tutkimus Riskisuhde Pitkäaikaisilla pienhiukkaspitoisuuksilla ja terveysvaikutuksilla selkeä yhteys! Pienet hiukkaset, µg/m 3 Dockery DW, Pope CA III, Xu X, Spengler JD, Ware JH, Fay ME, Ferris BG, Speizer FA. An association between air pollution and mortality in six US cities. N Engl J Med 1993;329:

15 Pienhiukkasten terveysvaikutukset Pienhiukkaset on todettu suurimmaksi yksittäiseksi sairauksia aiheuttavaksi ympäristötekijäksi

16 Pienhiukkasten ilmastovaikutukset Pienhiukkaset pääasiassa sirottavat auringonvaloa (viilentävä vaikutus) "Musta" hiili eli noki absorboi auringonsäteilyä ja lämmittää ilmakehää. Pienhiukkaset aiheuttavat tiheämpien pilvien muodostumista, heijastaa auringonvaloa (viilentävä, epäsuora vaikutus) Lisäksi Epätäydellinen palaminen tuottaa metaania ja typpipitoisten polttoaineiden poltto ilokaasua, jotka ovat kasvihuonekaasuja (lämmittävä vaikutus).

17 Näytteenoton vaikutus aerosoliin Näytteenotto voi muuttaa mitattavan aerosolin tilaa: Lämpötila (kaasu-hiukkastasapaino) Paine Koostumus Pitoisuus Näytteenotolla voidaan haluta: Normalisoida mittaustilanne ja pysäyttää näytteen muuntuminen Muuntaa näyte mittalaitteilla sopivaksi Matkia luonnossa tapahtuvaa ilmiötä (esim. ulkoilmalaimeneminen, ikääntyminen) Tutkia näytteen ominaisuuksia

18 Erilaisia menetelmiä Mittaus suoraan kuumasta kaasusta EPA 5H, EN, DIN useita standardoituja menetelmiä Mittaus laimennetusta kaasusta, laimennusmenetelmät EPA 5G /NS (Huuvatunneli, standardi) WG5 Draft (parannettu Huuva-tunneli) Osavirtalaimennustunnelit (autopuolella yleisiä) Minilaimennustunneli Ejektorilaimentimet Huokoisenputken laimentimet Pyörivä kiekko-laimennin Reikäputkilaimennin Eri laimennusmenetelmien yhdistelmät

19 Laimentava näytteenotto Käytetään, kun näytteessä korkeat pitoisuudet hiukkasia/höyryjä ja/tai korkea lämpötila Tavoitteet Pysäyttää kemialliset ja fysikaaliset prosessit näytteessä (quenching) -> näyte edustaa (jollakin tavalla) näytteenotto-olosuhteita Alentaa näytteen lämpötila ja pitoisuus mittalaitteille sopivaksi (esim. savukaasussa hiukkaspitoisuudet kpl/cm3) Stabiloida näyte (ei lämpötila eikä pitoisuusgradiantteja) Päästötutkimuksessa tavoitteena voi olla simuloida ulkoilmalaimennusta

20 Millaisia hiukkasten ominaisuuksia halutaan mitata ja miksi? Testataan läpäisevätkö polttolaitteet päästövaatimukset Hiukkasten massa Kehitetään parempia polttolaitteita Arvioidaan hiukkasten vaikutusta ilmanlaatuun ja ilmastoon Hiukkasten massa, koko, lukumäärä, koostumus, optiset ominaisuudet Arvioidaan hiukkasten terveysvaikutuksia Massa, koko, lukumäärä Koostumus, toksisuus Ihmis- ja eläinkokeiden vasteet Epidemiologia

21 Hiukkasten mittaaminen Näytteen perusteella pystyttävä määrittämään luotettavasti: Pitoisuus Massa, lukumäärä, pinta-ala jne. Hiukkaskoko Hiukkasten muoto Koostumus alkuaineosuudet kemiallinen koostumus

22 PAH-analytiikka Ympäristötieteen laitoksella on usean vuoden kokemus biomassan palamisprosesseissa syntyvien polysyklisten aromaattisten hiilivety (PAH) yhdisteiden analytiikasta. PAH yhdisteet muodostuvat epätäydellisen palamisen johdosta, ja muodostavat merkittävän ilmanlaatuhaitan, sillä osa yhdisteistä on todettu ihmiselle karsinogeenisiksi. Tutkimme PAH yhdisteiden pitoisuuksia erilaisista päästölähteistä sekä kaasu- että hiukkasfaasissa. Analysoimme 30 ja 16 yhdisteen joukkoa käyttämällä kaasukromatografia ja massaselektiivistä detektoria (Agilent Tech-nologies: 6890N GC 5973 INERT MSD). Näyte kvantitoidaan sisäisen standardin menetelmällä. Naftaleeni* Bentso[b]fluoranteeni* Asenaftyleeni* Bentso[k]fluoranteeni* Asenafteeni* Bentso[j]fluoranteeni Fluoreeni* Bentso[e]pyreeni Fenantreeni* Bentso[a]pyreeni* Antraseeni* Peryleeni 1-Metyylifenantreeni Indeno[1,2,3- cd]pyreeni* Fluoranteeni* Dibentso[a,h]antraseeni * Pyreeni* Bentso[g,h,i]peryleeni* Bentso[c]fenantreeni Antantreeni Bentso[a]antraseeni* Dibentso[a,l]pyreeni Syklopenta[c,d]pyreeni Dibentso[a,e]pyreeni Trifenyleeni Koroneeni Kryseeni* Dibentso[a,i]pyreeni 5-Metyylikryseeni Dibentso[a,h]pyreeni Analyysin 30 ja 16* PAH yhdistettä

23 PCDD/F analytiikka Polyklooratut dibentsodioksiinit ja furaanit ovat ympäristömyrkkyjä, joita löytyy tyypillisesti maaperästä sekä ilmakehästä. PCDD/F yhdisteitä muodostuu tyypillisesti palamis-prosesseissa, joissa klooria on läsnä, esimerkiksi jätteenpoltossa. Ilmanäytteistä analysoimme PCDD/F yhdisteitä ja niiden prekursoreita (kloorifenolit, klooribentseenit ja polyklooratut bifenyylit) sekä kaasu- että hiukkasfaasista käyttäen korkean resoluution massaspektrometriä (HR-MS)

24 Yhteenveto Suomessa ei päästörajoja pienpolton päästöille Asetuksia valmisteilla Ongelmana hiukkasmittausmenetelmä Useita standardeja, mutta ei pienpoltolle Lisäksi: Hiukkasmassa ei kerro hiukkasten haitallisuudesta (PUPO)

25 Yhteenveto Näytteenottomenetelmän valinta Pienpolton päästöjä mitattaessa laimentava näytteenotto Isot hiukkaset häviävät, mutta puolihaihtuvat yhdisteet saadaan kerättyä Hiukkasten mittaaminen On-line/Off-line Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet (Lukumäärä, massa, koko, muoto, alkuaineosuudet, PAH-osuudet jne.)

26 Kiitos! Yhteystiedot: Terhi Kaivosoja FM, Tutkija Pienhiukkas- ja aerosolitekniikan laboratorio, Ympäristötieteen laitos, Itä-Suomen yliopisto